Spatial variability of ground motions for seismic analysis of bridge structures : insights from recordings and physics-based numerical simulations

The spatial variation of earthquake ground motion in near-fault region can significantly affect the dynamic response of large and extended engineered structures. In engineering practice, such a variation is considered in terms of coherency, as a function of frequency and separation distance, calibrated on an empirical basis, using sparse datasets of strong motion recordings provided by dense arrays. Despite the increasing availability of strong motion records, observations at dense arrays are still very scarce especially in near-source conditions and, therefore, available empirical models for spatial coherency may be hardly extrapolated for site-specific estimates. Hence, a good understanding of the physical factors underlying the SVEGM is fundamental for an accurate modelling of the spatially variable seismic action to be considered for engineering analyses of large civil engineering constructions. To this aim, spatial coherency estimates have been analyzed from a wide set of both dense arrays recordings and 3D physics-based numerical simulations (spectral element code, SPEED: http://speed.mox.polimi.it/). The results confirm the complex dependence of coherence on the specific site and source features. As a general comment, it was observed that spatial coherency decreases non-linearly with inter-station distance and frequency, with decreasing source-to-site distance and passing from rock to soil site conditions. Furthermore, it was found that fault rupture details, such as the slip distribution, the hypocenter location and relative position with respect to the causative fault, may have a strong impact on spatial coherency. Finally, the effects of spatially variable ground motions on an idealized integral-abutment bridge has been assessed by using as seismic input broadband physics-based waveforms obtained at different pier supports. The results show that spatial variability of ground motion, obtained from physic-based numerical simulations, may present features that have a considerable impact even on a regular, 360-m long structure on homogenous soil conditions, leading to localized increase or decrease of engineering demands parameters up to a factor of about 50%.

La variabilità spaziale del moto sismico (SVEGM) in prossimità della faglia può essere significativa influenzando la risposta dinamica di strutture ingegneristiche spazialmente estese. Nella pratica ingegneristica, tale variabilità viene presa in considerazione in termini di coerenza, in funzione della frequenza e della distanza di separazione, calibrata su base empirica, utilizzando le registrazioni fornite da array densi. Nonostante la crescente disponibilità di registrazioni, le osservazioni basate su array densi sono ancora molto scarse, specialmente in condizioni di campo vicino alla faglia e, pertanto, i modelli empirici disponibili per la coerenza spaziale possono essere difficilmente estrapolati per valutazioni specifiche al sito di interesse. Pertanto, una buona comprensione dei fattori fisici alla base della SVEGM è fondamentale per una modellazione accurata dell'azione sismica da considerarsi nell’ analisi ingegneristica di grandi costruzioni di ingegneria civile. A tal proposito, le stime di coerenza spaziale sono state analizzate partendo da un ampio database di registrazioni ad array densi e simulazioni numeriche 3D. I risultati confermano la complessa dipendenza della coerenza dal sito specifico e dalle caratteristiche della sorgente. Come commento generale, si è osservato che la coerenza spaziale diminuisce in modo non lineare con la distanza tra le stazioni e la frequenza, con la diminuzione della distanza tra sorgente e sito e passando da condizioni di roccia a terreno. Inoltre, si è riscontrato che parametri come la distribuzione dello scorrimento (slip), la posizione dell'ipocentro possono avere un forte impatto sulla coerenza spaziale. Infine, sono stati valutati gli effetti della variabilità spaziale del moto sismico su un ponte idealizzato utilizzando come input sismico le forme d'onda, alla base di ogni pila del ponte, ottenute attraverso simulazioni numeriche del moto. I risultati mostrano che la SVEGM può produrre un impatto considerevole anche su una struttura regolare di 360 m poggiata su terreno omogeneo, portando ad un aumento o diminuzione localizzata dei parametri di risposta strutturale fino a un fattore di circa 50%.